JP5430585B2 - 最適な放出領域を用いた静電フィルタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は毒性の有無を問わず、流体中の懸濁粒子といった塵を生じさせる産業機械の分野に関わるものである。有機核物質、有毒な産業廃棄物や危険物原料のような危険な物質の熱処理などはその工程の例である。さらに、本発明は板状もしくは円筒形状といった構造を問わず、静電フィルタリング装置に関わるものであり、またガスイオン化装置にも関わるものである。

上記の装置の多くには、懸濁液として粒子や塵埃を含む流体を対象とする極めて高効率のフィルタリングシステムが必要とされている。現在多くのフィルタリングシステムがあり、それらは以下の3つのカテゴリーに分類される。1）機械的な装置を使ったフィルタ、２）流体を使ったフィルタ、３）物理現象を使ったフィルタ。特に最後のカテゴリーには工業規模やそれ以下の規模のサーマルプラントや焼却炉で使われる静電フィルタリング装置も含まれる。

この種の装置の利点は第一に処理工程でフィルタ圧力損失を起こさないこと、第二にコスト増や、しばしば廃棄場所の確保が必要となる二次廃棄物を生じさせるフィルタリングメディア（媒体）を必要としないことである。例えば、放射性廃棄物のような危険な廃棄物の処理に関して、二次廃棄物の生成はしばしば装置の経済的な利益を減少させることになる。

静電フィルタリング装置の技術は、ガス中の粒子の電荷が静電場の作用により集塵壁に向かって移動する現象に基づく。一般的にイオン化はカソードで行われ、集塵はアノード側で行われる。２つの電極が距離を隔てて設けられているため、圧力損失を伴わないガスの流れを確かなものにしている。

これらの電極の形状（Geometries）で最も良く見られるものが、＜プラナーワイヤー＞型であり、カソードは軸対象のワイヤー構造の性質を持ち、アノード電位とされた集塵プレートの間に位置される。シリンダー型ワイヤー(Cylindrical wire)の形状は効率的で維持管理がしやすいが、あまり一般的でない。カソード(陰極)にかかる電圧のタイプとこのカソード（陰極）の形状は、静電フィルタリング装置の機能と耐久性を支配する基本的な2つのパラメータである。

カソードに関してよく用いられる形状はタングステンワイヤもしくは、その先端がランダムに配されて電極の放射率が向上された有刺鉄線タイプである。印加電圧は直流型になり、電極間のスペースで絶縁破壊電圧に制限される。

使われる構造によらず記録された効率は良好なものであり９９％を超えている。しかしながら経験的に、時間がたてばそれらのレベルを維持することは不可能であることが分かっている。

図１は、タングステンワイヤ電極が６７ｋｖで、直径約３００ｍｍの円筒状フィルタの実験結果を示す。点１〜４の間の5時間を少し超えたところで関連する効率は９９．６％から９３．６％に次第に低下しているのがわかる。点５〜６で見られるように、徐々に電圧を８０ｋＶに上げると９９％の効果を保つことができるが、この現象はもう一度減少する前の数分間だけである。その後、電圧レベルは最大になり、有効性を低下させる兆候をもたらす過度のアーク放電を発生させるようになる。この種の技術を使うオペレーターやユーザーは、適切なレベルの有効性を得るために機械的に構造物を叩いたりして、繰り返し洗浄を行うことが推奨され、気流中に大々的に粒子の再混入をもたらすことになる。

これまでに、塵埃が２つの電極の表面に蓄積して絶縁性の性質を持つ層を形成し、静電フィルタリング装置のパフォーマンスの低下が放電現象の変化に関係することは今までの実験研究で明らかにされてきた。それ故、この層へ新しい電荷が蓄積すると、第一に２つの電極の間の電場の効果を低下させることになり、結果として帯電した塵埃の移行が減る、第二に陽極での析出が電場を局所的に強めることになり、陽極の放電をあげることになる。これらの放電の連続が“アノードカウンタエミッション”と呼ばれ、フィルタに導入される平均電流が増加し、フィルタ効果を減少させる。加えて、主として最初に汚れるフィルタ入口で正極の放電が発現する。この現象の直接的な帰結は、前述の静電フィルタリング装置の効果的な部位が普通のインプラントされた構造に比べて長さが短く制限されるということである。

図２Ａ，２Ｂ，２Ｃはこの事実を示している。図２Ａを参照して、フィルタがきれいな状態の時、塵埃は入り口で帯電して壁側に向かって移動し、アノード(陽極)の層を形成する。塵埃が層から引き離される時は、もう一度、僅かだがより高い効率で捕集されるよう移動することが可能である。それ故、図２Ｂ中の層１はフィルタの下部に限定され、上部は拡散部となる。

図２Cを参照して、層１が厚くなると下部でアーク現象２が起こり、全体の効率に制限が生じ、洗浄の為にシステムを止める必要を生じる。それ故、いわゆる有効部分の上に位置するある部位（“安全部位Safety Portion”３と呼ぶ）は、再び気流中に排出される塵芥を集めることができる。この部位は実際には効果的ではなく、カソード(陰極)の形状とその駆動を最適化することにより制限されるはずである。

本発明の目的はタイプの異なる静電フィルタリング装置と放射状の電極を提案することによりこれらの不具合を解決するものである。更に正確には、この装置の有効部分を電極全体の長さに拡張することにあり、第二に装置洗浄のための停止による効率の低下を招くアーク放電の発生を遅らせることにある。

本発明は、ハイブリッドすなわちダイレクトと／又はパルスの電源に接続されるカソードを用いることを基本とする。このことは、第一に有効長さを静電フィルタリング装置の全体の長さに伸ばし、第二に装置洗浄のための停止による効率の低下を招くアーク放電の発生を遅らせることができる。気流中で簡単に粒子を帯電させることができるので、このカソードはとても効果的である。

この目的のために、発明の主たる主題はフィルタリングチャネル中に少なくとも一つの放射性のカソードを備えた静電フィルタリング装置である。カソードは複数の平面に亘ってジグザグ状に分散され、一つの平面から他の平面まで角度位置がオフセットされた先端を持ち、少なくとも一つの直流成分を持つ電圧を有する。

本発明によれば、電圧は直流成分に加えてパルス成分を有する。このパルス成分は、立ち上がり時間が１５０ｎｓ程度の極めて急峻なカットオフを発生させる発電機により供給される。カソードは、ポイントの複数の平面を有する絶縁されたＮ個のセクターの連続により複数のセクターに分割されている。

本発明の第１実施形態では、装置のチャネルは円筒形状であり、特にその集塵アノードである。カソードは単一のカソードであり一つの平面毎に複数のポイントを有し、このポイントは一つの平面から他の平面の間で角度がオフセットされている。

本例では好ましくは、一つの平面に８つのポイントが設けられ、これらのポイントは互いに４５度オフセットされており、また一つの平面から他の平面に２２．５度オフセットされている。

本例では、平面Ｐの数は３０Ｌ／Ｄ．Ｌｎｄである。ここで、Ｌはチューブの高さ、Ｄはチューブの直径、ｌｎｄはポイントの先端と集塵アノードとの間の距離ｄの自然対数(Neperian logarithm)である。

本発明の第２実施形態では、フィルタリングチャネルは２つの平行なアノードを形成する二つの板と、この互いに平行なアノードに垂直に配置された平面毎に２つの先端を有する複数のカソードとからなり、一つのカソードの複数の平面は隣り合うカソードの平面に対してオフセットされている。

本例では、同一カソードの平面の間を高さｈとする時、隣接するカソードの平面は、考慮される(under consideration)カソードの平面に対してｈ／２だけオフセットされている。

このタイプの実施形態では、２つのカソードの間の空間は、２つのアノード板からの離間距離とおよそ等しい。

第１の電源供給は、カソード全体を直流でかつ絶縁破壊電圧Ｕｃの数分の一（例えば７０％）に等しい第１電圧Ｕ１にし、絶縁破壊電圧Ｕｃ以下でかつ第１電圧Ｕ１より低い第２直流電圧Ｕ２だけ増加させる。この第２電圧Ｕ２はセクター毎に与えられ、この電圧は第１セクター引き続きその他のセクターで絶縁破壊が生じたら直ちに下げられ、また、選択的にアーク放電現象が発生しなくなるまで下げられる。それゆえ、この第１例では、第１及び第２電圧Ｕ１，Ｕ２は直流電圧である。

本発明の装置に電圧を供給する第２の方法は、直流の第１電圧Ｕ１を絶縁破壊電圧Ｕｃの数分の１（例えば５０％）にし、第２の所定のパルス電圧Ｕｐだけ増加させて、第１電圧Ｕ１と第２電圧Ｕｐの合計が絶縁破壊電圧Ｕｃ以上となるように設定される。この第２の所定電圧Ｕｐは、アーク放電が開始された後に速やかにセクター毎に引き下げる。

従来技術におけるフィルタリング装置の効率を示す図である。 従来技術の装置に現れる現象を示す図である。 従来技術の装置に現れる現象を示す図である。 従来技術の装置に現れる現象を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る装置を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る装置を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る装置を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る装置を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る装置を示す図である。 本発明の装置に対して行われた試験結果を示すグラフである。 本発明に係る複数種の装置の収率（yield）を示すグラフである。

以下、添付した図面と共に本発明とその異なる技術的特徴を説明する。

最も容易な方法により気流中の粒子を帯電できるカソードを設計することとなった。図３Ａに示すように、カソードは中心コア１０を有する。中心コア１０には、中心コア１０の軸から放射状に垂直に延びる多数のポイント１１が固定されている。図３Ａではポイント１１は互いに２２．５度互いにオフセットされている。

図３Ａは、実際は上面図であり、互いにオフセットされているように見える複数のポイントは、ｏｒｄｅｒ Ｐの面とｏｒｄｅｒ Ｐ＋１の二つの面のものである。実際には、ｏｒｄｅｒ Ｐの面のポイント１１Ｐは互いに４５度離間されている。他方、ｏｒｄｅｒ Ｐの面のポイント１１Ｐとｏｒｄｅｒ Ｐ＋１の面のポイント１１Ｐ＋１とは互いに２２．５度オフセットされている。

図３Ｂは中心コア１０を持つ同じカソードを示しており、これらの異なるポイント１１Ｐと１１Ｐ＋１は中空円筒アノード１２の中に配置されている。アノード１２の直径Ｄはポイント１１Ｐ，１１Ｐ＋１の長さの２倍より大きい。ポイント１１と１１Ｐ＋１の先端は、空間中に規則的に分散された放射性サイトを形成する。

もう一つ平均的な構造の具体的な実施例は、二つの面Ｐ，Ｐ＋１の距離は約４０ｍｍであり、およそ１ｍあたり２５の平面が配置可能である。次のような方程式を使って高さＬ、直径Ｄのアノードのフィルタリング装置に使用するために、平面Pの数ｎを定義できる。
ｎ＝３０×Ｌ／Ｄ×ｌｎ（ｄ）
ｄはポイント１１Ｐ，１１Ｐ＋１の先端と収集アノードであるアノード１２の内壁との距離である。

カソードへの供給はＮ個の絶縁セクター１３に分割される。ここで、ＮはＮ＝Ｌ／Ｄである。

図４Ａを参照して、本発明の主な第２実施形態に係るフィルタリング装置は、平板状のフィルタを用いている。この図で、主要な差異はアノード２２であり、カソード２０の前方に垂直に配置されている。

図４Ｂはこの装置の上面図を示している。２つの平行なアノード２２は、図に示すように、それぞれが平板から構成され、その間に複数のカソード２０の列が設けられている。これらのカソード２０の各々は複数組のポイント２１からなり、ポイント２１はカソード２０に対して放射状に且つ２つのアノード２２に対して垂直に、カソード２０のコアに固定されている。

図３Ａ，３Ｂに示す実施形態と同様に、カソード２０のポイント２１は複数の平面に亘って分散されている。図４Cは、全体の高さＨに亘って分散された複数のポイント２１Ｒ，２１Ｒ＋１を示している。列Ｒのカソードに対して、複数のポイント２１Ｒは所定高さｈだけ離間された複数の平面に位置されている。

更に、カソードＲ＋１は複数の２１Ｒ＋１のポイントを持つ。この複数のポイント２１Ｒ＋１はまた高さｈから離れた平面の中に位置する。なお、これらの平面は隣り合うカソードの列Ｒの平面に対して距離ｈ／２だけオフセットされている。

実質上、高さ１０ｍ、２ｃｍのポイントのカソードを持つフィルタについて、これらポイント間の距離は７０ｍｍとすることができる。この距離はポイントの長さに応じて変化し、この距離自身がこのカソードに使われている電圧、とりわけ絶縁破壊電圧Ｕｃに変化を引き起こす。

２つの集塵アノード２２の間の距離が４００ｍｍの時、カソード２０は例えばこれらアノード２２から２００ｍｍ離間した中間位置に位置される。図４Ａ，４Ｂに示すように気体はフィルタに横方向に侵入するので、明らかに気体の流れはカソードに対し垂直である。この場合、最大ろ過がおこるのは最初のカソード２０である。カソードへの電力供給の分割は２，３のカソードのセクターの中で行うことができる。

本発明の主な特徴の一つは、少なくとも２つのタイプの電源を備えたフィルタリング装置を提供することにある。２つの電源とは即ち、完全な直流電源あるいは、部分的に直流で部分的にパルスの電源である。このことは有効部分がフィルタリング装置の全体の長さに広げること、及び、アーク放電の遅れを許容する。第１の場合は、アーク放電が起こる絶縁破壊電圧Ｕｃの数分の一（例えば７０％）に等しいレベルの第１直流電圧Ｕ１を用いる。第１の直流電圧Ｕ１は次の式で定義される第２直流電圧Ｕ２により完全となる。
Ｕ２ ≦ Ｕｃ − Ｕ１

本発明の静電フィルタリング装置への電力供給の第２の場合は、絶縁破壊電圧Ｕｃの数分の一（例えば５０％）に等しいレベルの第１直流電圧を用い、以下の式で定義される最大値を取る電圧Ｕｐだけ増加される。
Ｕ１ ＋ Ｕｐ ≧ Ｕｃ

この第２の場合は、パルス電圧は、立ち上がり時間約１５０ｎｓを保証する、即ち１ｋＨｚオーダーの周波数の鋭いカットオフを保証する発電機により供給される。

本発明によるフィルタリング装置の使用形態では、アーク放電がこれらのセクターで生じると共にかつ生じた時に電力供給手段がカソードのセクターの中の第２電圧Ｕ２やＵｐを引き下げるように構成される。このために、カソードは所定数Ｎ個のセクターに電気的に分割されている。

例えば、１秒間に一つのアーク放電が発生すると言うように、フィルタリング装置の第１セクターで発生するアーク放電の数が大きくなりすぎると、第１電圧は維持されたまま第１セクターで第２電圧の供給が止められる。フィルタリングはこのような方法で装置全体に実施され、最後のセクターのアーク放電の数が所定の限界を越えるまで続けられる。この時点で構成部品は洗浄されなければならない。

図５は、図３で示す円筒型カソードに為された複数回の試験的テストの後得られた結果を示している。正確には、カソードの収率（cathode yield）におけるこの傾向は、円筒形のカソード（曲線３１）、ねじ棒からなるカソード（曲線３２）、直流電源を備えた本発明のカソード（曲線３３）、直流及びパルス電源を備えた本発明のカソード（曲線３４）といったように異なるカソードの形状によって変化する。電圧の最大値はカソードとアノードの距離による。本発明のカソードに直流とパルス電圧が供給された時に効率が更に向上することが確かめられている。

基底電圧レベルに関しても、パルスされた分数（pulsed fraction）についても既に効率の９０％近い割合を占めることが確かめられている。

図６は与えられた構造における、カソードと、直流電圧とパルス電圧の組合せの全ての利点（full advantage）を示している。他の電極よりも極めて長い稼働時間を可能とし、８時間という限られた試験期間の中では効率が落ちていない。区分けされたカソードと電圧の組合せという応用は長い耐久性を保証する。正確には、この図６は、適用された形状と電圧に関連づけた稼働時間の関数としてカソードの収率の傾向を示している。曲線４１は切り欠かれた円筒カソード形状に関するものであり、曲線４２は直流電圧が供給される本発明に係るカソードに関するものであり、曲線４３は直流及びパルス電圧が供給される本発明のカソードに関するものである。絶縁電圧Ｕｃはアノードとカソードの距離により決まる。

Claims (9)

1. 少なくとも一つのカソードを有する静電フィルタリング装置であって、
   放射可能な前記カソードは、フィルタリングチャネル中に位置され、一つの面から他の面へ角度的にオフセットされた複数の面Ｐに亘ってジグザグ状に分布された複数のポイント（１１，１１Ｐ，１１Ｐ＋１，２１，２１Ｒ，２１Ｒ＋１）を有し、第１直流電圧（Ｕ１）が付与されたものであって、
   パルス成分Ｕｐが前記第１直流電圧Ｕ１に付加され、前記パルス成分は、１５０ｎｓ程度の立ち上がり時間を有する極めて鋭いカットオフを保証する発電機により供給されるものであり、
   少なくとも一つの前記カソードは所定個数Ｎの電気的に絶縁された絶縁セクターーに分割されており、
   それぞれの前記絶縁セクターには供給される電圧は個別に制御されることを特徴とする静電フィルタリング装置。
2. 前記フィルタリングチャネルは円筒型であり且つ円筒アノード（１２）として機能しており、
   前記カソードは単一のカソードであり、且つ１平面に複数の前記ポイント（１１，１１Ｐ又は１１Ｐ＋１）を有し、
   前記ポイントは一つの平面から他の面にかけて角度がオフセットされていることを特徴とする請求項１に記載のフィルタリング装置。
3. 前記カソードは一つの平面Ｐ及び他の平面Ｐ＋１にそれぞれ８個の前記ポイント（１１，１１Ｐ）又は（１１，１１Ｐ＋１）を有し、
   前記ポイントは、互いに４５度オフセットされ、他の平面Ｐ＋１の前記ポイントと一つの平面Ｐの前記ポイントとは２２．５度ずれていることを特徴とする請求項２に記載のフィルタリング装置。
4. Ｌを前記円筒アノードの長さ、Ｄを前記アノード（１２）の直径、ｄを円筒形の前記アノード（１２）の内壁から前記ポイント（１１，１１Ｐ，１１Ｐ＋１）の先端までの離間距離、ｌｎ（ｄ）をｄの自然対数としたとき、平面の個数ｎは３０×Ｌ／Ｄ×ｌｎ（ｄ）に等しいことを特徴とする請求項２に記載のフィルタリング装置。
5. 前記フィルタリングチャネルは互いに平行で前記アノード（２２）を形成する二つの平板で定義され、
   前記装置は、一つの平面に２つの前記ポイントを有し、かつ互いに平行な前記アノードに垂直に配置された複数の前記カソードを用い、
   列Ｒの一つの前記カソードの複数の平面は列Ｒ＋１の隣の前記カソードの平面からオフセットされていることを特徴とする請求項１に記載のフィルタリング装置。
6. 一つの同じ前記カソード（２０）の複数の前記ポイントの２つの平面を隔てる高さをｈとしたとき、列Ｒの前記カソードの前記ポイントの平面と列Ｒ＋１の前記カソードの前記ポイントの平面との距離はｈ／２であることを特徴とする請求項５に記載のフィルタリング装置。
7. 異なる複数の前記カソード（２０）は、前記アノード（２２）から前記カソード（２０）までの離間距離と等しい距離だけ互いに離間されていることを特徴とする請求項６に記載のフィルタリング装置。
8. Ｎ個の前記絶縁セクターにはそれぞれ、絶縁破壊電圧Ｕｃの数分の一に等しい前記第１直流電圧Ｕ１と、連続する前記絶縁セクター中でアーク放電が起こるとともにかつ起きたときに引き下げられる前記第１電圧より小さく前記絶縁破壊電圧Ｕｃ以下の第２直流電圧Ｕ２が前記絶縁セクター毎に供給され、
   それぞれの前記絶縁セクターで電気アーク放電が生じた時に、少なくとも一つの前記カソード（２０）のそれぞれの前記絶縁セクター中で連続的に第２直流電圧Ｕ２を停止する手段を備え、前記第２直流電圧Ｕ２はＵ２＋Ｕ１≦Ｕｃで表されることを特徴とする請求項１に記載のフィルタリング装置。
9. Ｎ個の前記絶縁セクターにはそれぞれ、絶縁破壊電圧Ｕｃの数分の一に等しい前記第１直流電圧Ｕ１と、連続する前記絶縁セクター中でアーク放電が起こるとともにかつ起きたときに引き下げられる前記第１電圧より小さく前記絶縁破壊電圧Ｕｃ以下のパルス電圧Ｕ２が前記絶縁セクター毎に供給され、
   それぞれの前記絶縁セクターで電気アーク放電が生じた時に、少なくとも一つの前記カソード（２０）のそれぞれの前記絶縁セクター中で連続的に前記パルス電圧Ｕｐを停止する手段を備え、前記パルス電圧ＵｐはＵｐ＋Ｕ１≧Ｕｃで表されることを特徴とする請求項１に記載のフィルタリング装置。

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